客車?yán)鋮s風(fēng)扇液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮水安

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361000)

后置客車?yán)鋮s系統(tǒng)的風(fēng)扇傳動(dòng)，目前采用較多的是機(jī)械式皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)及電子風(fēng)扇系統(tǒng)。機(jī)械式皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但由于其結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式的限制而存在許多不理想之處，很難使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工作狀態(tài)和不同的環(huán)境下得到最佳冷卻效果。近年來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放升級(jí)及對(duì)整車油耗要求越來(lái)越高，較多客車?yán)鋮s系統(tǒng)采用電子風(fēng)扇系統(tǒng)，但是由于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求極大，電子風(fēng)扇數(shù)量需達(dá)到 7～8個(gè)，耗電量極大且布置空間極大，受限于整車空間限制較難布置。而采用液壓傳動(dòng)形式，其可靠性和節(jié)能性都較好[1]。本文主要介紹某12 m城際客車風(fēng)扇定量泵液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)及主要部件的匹配設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)工作原理及主要參數(shù)確定

風(fēng)扇液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成部件有液壓泵、液壓馬達(dá)、油冷器、油管、接頭及油箱等，液壓泵與液壓馬達(dá)為最主要工作部件，液壓泵與液壓馬達(dá)的匹配尤其關(guān)鍵。液壓泵安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的PTO連接口，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；散熱器風(fēng)扇安裝在液壓馬達(dá)的輸出軸上，馬達(dá)由液壓泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)散熱總成進(jìn)行散熱。RC控制器通過(guò)接收發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度報(bào)文信號(hào)，控制液壓馬達(dá)中的比例閥，從而最終控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。定量泵液壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示[1-3]。

圖1 定量泵液壓系統(tǒng)示意圖

從圖1可以看出，液壓泵輸出與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及PTO速比相關(guān)；液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速即為風(fēng)扇的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)的主要參數(shù)有風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、PTO傳動(dòng)比、系統(tǒng)最大工作壓力等。

系統(tǒng)最大工作壓力是指風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最高時(shí)系統(tǒng)的壓力，確定時(shí)應(yīng)考慮液壓泵、液壓馬達(dá)及液壓管路的承受能力，并考慮一定的安全系數(shù)，一般不大于25 MPa為宜[1]。

本車型采用依維柯發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量及現(xiàn)有車型空間布置，風(fēng)量需要達(dá)到7.2 m3/h才能滿足需求，因此選用霍頓762 mm風(fēng)扇葉，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的外特性參數(shù)及風(fēng)扇廠家提供的風(fēng)量性能曲線，該液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為(500±50) r/min；發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min；發(fā)動(dòng)機(jī)PTO接口速比為1.72；風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速n為1 800 r/min，此時(shí)風(fēng)扇消耗功率P為13.8 kW。

2 系統(tǒng)主要部件匹配及程序刷定

2.1 液壓馬達(dá)匹配設(shè)計(jì)

風(fēng)扇液壓系統(tǒng)由馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，風(fēng)扇的運(yùn)行扭矩即為馬達(dá)的輸出扭矩。相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：

(1)

(2)

(3)

式中：T為馬達(dá)輸出扭矩；V為馬達(dá)排量；Q為馬達(dá)流量；P為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速時(shí)消耗功率，數(shù)值為13.8 kW；n為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速，本文為1 800 r/min；ΔP為系統(tǒng)預(yù)定工作壓力，本文初取23 MPa，一般不高于25 MPa；ηh為馬達(dá)機(jī)械效率，齒輪馬達(dá)一般取0.9；ηv為馬達(dá)容積效率，齒輪馬達(dá)一般取0.92；Vg為馬達(dá)最終實(shí)際選用的排量。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和式(2)，計(jì)算得到馬達(dá)排量V為22.24 cm3/r。根據(jù)博世力士樂(lè)液壓產(chǎn)品選型手冊(cè)，選擇實(shí)際采用的馬達(dá)實(shí)際排量Vg為22.5 cm3/r。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(3)，計(jì)算得到馬達(dá)流量Q為44.02 L/min。

將實(shí)際選用的馬達(dá)排量22.5 cm3/r帶入式(2)，可得馬達(dá)實(shí)際工作壓力ΔPg為22.7 MPa。

2.2 液壓泵匹配設(shè)計(jì)

管路壓力損失按經(jīng)驗(yàn)值0.5 MPa核算，因此液壓泵工作壓力為23.2 MPa。液壓泵選型最關(guān)鍵的參數(shù)為泵的排量Vp：

Vp=100·Q/(n·i·ηvp)

(4)

式中:n為風(fēng)扇達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)所需發(fā)動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速，由于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩值時(shí)轉(zhuǎn)速為1 400～1 600 r/min，風(fēng)扇實(shí)際達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)常在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況下，因此取值為1 600 r/min；i為發(fā)動(dòng)機(jī)PTO接口傳動(dòng)比，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)提供取值為1.72；ηvp為液壓泵的容積效率，取值0.96；Q為2.1節(jié)中計(jì)算值44.02 L/min。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)，計(jì)算得到液壓泵排量Vp為17.04 cm3/r。根據(jù)博世力士樂(lè)液壓產(chǎn)品選型手冊(cè)，選擇實(shí)際采用的液壓泵排量Vh為19 cm3/r。

2.3 風(fēng)扇達(dá)最高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速核算

根據(jù)式(4)及最終選定的液壓泵實(shí)際排量可以核算在風(fēng)扇達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需最小轉(zhuǎn)速n:

n=100·Q/(Vh·i·ηv)

(5)

式中:Q為2.1節(jié)中計(jì)算值44.02 L/min，該流量為風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速下狀態(tài)；Vh為實(shí)際選用的液壓泵排量，數(shù)值為19 cm3/r。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(5)，計(jì)算出風(fēng)扇達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)速為1 435 r/min；符合發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況轉(zhuǎn)速范圍，能夠較好滿足車輛爬坡工況下最大扭矩時(shí)的需求。

2.4 系統(tǒng)程序刷定

發(fā)動(dòng)機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)SAE J1939輸出中冷溫度與水溫報(bào)文信號(hào)，RC控制器通過(guò)接收發(fā)動(dòng)機(jī)中冷溫度及水溫報(bào)文信號(hào)，主要是確定風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)的起始溫度和風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度。起始溫度一般比節(jié)溫器全開溫度低3～5 ℃，因?yàn)樵诠?jié)溫器全開之前，只有部分冷卻水通過(guò)散熱器，此時(shí)風(fēng)扇可以不用運(yùn)轉(zhuǎn)；若節(jié)溫器全開后風(fēng)扇仍不運(yùn)轉(zhuǎn)，水溫會(huì)迅速升高，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作[4-5]。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的節(jié)溫器信息，風(fēng)扇液壓系統(tǒng)程序設(shè)定如下：風(fēng)扇起始運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度88 ℃；風(fēng)扇全速運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度95 ℃；風(fēng)扇起始運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度50 ℃；風(fēng)扇全速運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度60 ℃；發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度報(bào)文信號(hào)為16#18FEEE00；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度報(bào)文信號(hào)為16#18FEF600[6-7]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、馬達(dá)進(jìn)口壓力、馬達(dá)出口壓力、泵吸油壓力進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估現(xiàn)有匹配的液壓系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，從而評(píng)估是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求。

從測(cè)試曲線(圖2)可以看出，風(fēng)扇在現(xiàn)有液壓泵及液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1 780 r/min，基本符合初始設(shè)計(jì)要求達(dá)到的1 800 r/min，該系統(tǒng)匹配符合要求[8-10]。

圖2 系統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)扇液壓系統(tǒng)相比其他形式穩(wěn)定性更好，采用風(fēng)扇液壓傳動(dòng)是大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)之一。整套液壓系統(tǒng)的有效工作，很大程度上取決于液壓泵與液壓馬達(dá)的選型，因此液壓泵與液壓馬達(dá)的匹配至關(guān)重要。